第一章新型纤维材料

新型纤维功能材料本课程对各方面新型纤维材料做了介绍，包括新型天然高分子动植物纤维、水溶性纤维、功能性纤维、高性能纤维、新型织物、纳米科技与材料。对各种纤维的提炼，加工技术，应用方面也做了较为系统的介绍。天然高分子纤维主要讲解彩色棉，改性毛，纤维素纤维Tencel，大豆蛋白纤维等，也涉及到蚕丝和甲壳素纤维等。水溶性纤维讲述水溶性维纶的加工应用以及与羊毛的混纺产品性能。功能性纤维着重介绍常规纤维的改性技术，以及他们在抗菌，消臭，弹性，透湿防水，保温，抗静电，导电等健康，安全，舒适性有关方面的开发情况。比如有机导电纤维的研发，防紫外线辐射纺织品纤维的加工。高性能纤维的讲述包括高模高强的Kevlar纤维，多用于复合材料的碳纤维，绝缘耐火的氧化铝陶瓷纤维等内容。新型织物简要地介绍功能化智能化纤维织物的设计，制备和性能等。纳米科技涉及的领域比较广，我们主要讲解一些纳米级材料在纤维附着方面的研究及结果。第一章绪论•第一节材料•第二节纤维材料第一节材料•材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格，如炸药、固体火箭推进剂，一般称之为“含能材料”，因为它属于火炮或火箭的组成部分。•材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当时文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。由于材料多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。材料的分类•从物理化学属性来分：可分为无机物材料（金属材料、无机非金属材料）、有机物材料和不同类型材料所组成的复合材料。•从用途来分：可分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。•更常见的分为结构材料与功能材料（传统材料与新型材料）：•结构材料是以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料，当然，结构材料对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、热导率、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化等。功能材料则主要是利用物质的独特物理、化学性质或生物功能等而形成的一类材料。一种材料往往既是结构材料又是功能材料，如铁、铜、铝等。•传统材料是指那些已经成熟且在工业中已批量生产并大量应用的材料，如钢铁、水泥、塑料等。这类材料由于其量大、产值高、涉及面广泛，又是很多支柱产业的基础，所以又称为基础材料。•新型材料(先进材料)是指那些正在发展，且具有优异性能和应用前景的一类材料。新型材料与传统材料之间并没有明显的界限，传统材料通过采用新技术，提高技术含量，提高性能，大幅度增加附加值而成为新型材料；新材料在经过长期生产与应用之后也就成为传统材料。传统材料是发展新材料和高技术的基础，而新型材料又往往能推动传统材料的进一步发展。第二节纤维材料纤维(Fiber):是指天然的或人工合成的连续或不连续的细丝状的物质材料。（聚合物经一定的机械加工（牵引、拉伸、定型等）后形成细而柔软的细丝，形成纤维。）纤维具有弹性模量大，塑性形变小，强度高等特点。天然纤维化学纤维植物纤维：种子纤维（棉）；韧皮纤维（亚麻、苎麻、黄麻）；叶纤维（剑麻、蕉麻）；果实纤维（椰子纤维）动物纤维（蛋白质纤维）：毛发纤维（绵羊毛、山羊绒、骆驼毛、兔毛、马海毛）；腺体纤维（蚕丝，蜘蛛丝）矿物纤维：氧化物纤维（石棉）再生纤维：粘胶纤维(Viscosefiber)，如人造丝(Rayon)、天丝（Tencel）等；醋酸纤维（Acetatefiber）；铜氨纤维（Cuprammoniumfiber）合成纤维：聚酯纤维(涤纶)；聚酰胺纤维(尼纶)；聚丙烯腈纤维（腈纶）；聚乙烯醇纤维（维纶）；聚丙烯纤维（丙纶）；聚氨酯纤维（氨纶）；聚氯乙烯纤维（氯纶）；高性能纤维无机纤维：玻璃纤维；碳纤维；金属纤维石棉，指具有高抗张强度、高挠性、耐化学和热侵蚀、电绝缘和具有可纺性的硅酸盐类矿物产品。它是天然的纤维状的硅酸盐类类矿物质的总称。共计6种矿物（有蛇纹石石棉、角闪石石棉、阳起石石棉、直闪石石棉、铁石棉、透闪石石棉等）。石棉由纤维束组成，而纤维束又由很长很细的能相互分离的纤维组成。石棉具有高度耐火性、电绝缘性和绝热性，是重要的防火、绝缘和保温材料。石棉很早就用于织布，中国周代已能用石棉纤维制做织物，因沾污后经火烧即洁白如新，故有火浣布或火烷布之称。由于石棉纤维能引起石棉肺、胸膜间皮瘤等疾病，许多国家选择了全面禁止使用这种危险性物质，其他一些国家正在审视石棉的危险。石棉石棉的性质•石棉纤维长度一般为3～50毫米，也有较长的。中国发现最长的石棉纤维达2.18米，是目前世界上最长的。•石棉纤维的轴向拉伸强度较高，有时可达374×104㎏/㎡，但不耐折皱，经数次折皱后拉伸强度显著下降。石棉纤维的结构水含量为10～15%，以含14%的较多。加热至600～700℃（温升10℃/分）时，石棉纤维的结构水折出，纤维结构破坏、变脆，揉搓后易变为粉末，颜色改变。•石棉纤维的导热系数为0.104～0.260千卡/米·度·时，导电性能也很低，是热和电的良好绝缘材料。石棉纤维具有良好的耐热性能，一般在300℃以下加热2小时重量损失较少，若在1700℃以上的温度下加热2小时，温石棉纤维的重量损失较多，其他种类石棉纤维重量损失较少。蛇纹石石棉的耐碱性能较好，几乎不受碱类的腐蚀，但耐酸性较差，很弱的有机酸就能将石棉中的氧化镁析出，使石棉纤维的强度下降。粘胶纤维（Viscosefiber）1.粘胶纤维是以棉或其它天然纤维为原料生产的纤维素纤维。经碱化、老化、磺化等工序制成可溶性纤维素磺酸酯，再溶于稀碱液制成粘胶，经湿法纺丝而制成。2.粘胶纤维是古老的纤维品种之一。在1891年，克罗斯（Cross）、贝文（Bevan）和比德尔（Beadle）等首先以棉为原料制成了纤维素磺酸钠溶液，由于这种溶液的粘度很大，因而命名为“粘胶”。粘胶遇酸后，纤维素又重新析出。根据这一原理，1893年发展成为一种制造纤维素纤维的方法，这种纤维就叫做“粘胶纤维”。到1905年，米勒尔（Muller)等发明了一种稀硫酸和硫酸盐组成的凝固浴，实现了粘胶纤维的工业化生产。3.粘胶纤维加工过程使用二硫化碳(CS2)，属于有毒物质，对环境不友好，探索无毒的纤维素溶剂一直是研究人员的研究课题。人造丝制法•人造丝，学名粘纤长丝，制备方法：由纤维素原料提取出纯净的α－纤维素（称为浆粕），用烧碱、二硫化碳处理，得到橙黄色的纤维素黄原酸钠，再溶解在稀氢氧化钠溶液中，成为粘稠的纺丝原液，称为粘胶。粘胶经过滤、熟成（在一定温度下放置约18～30h，以降低纤维素黄原酸酯的酯化度）、脱泡后，进行湿法纺丝，凝固浴由硫酸、硫酸钠和硫酸锌组成。粘胶中的纤维素黄原酸钠与凝固浴中的硫酸作用而分解，纤维素再生而析出，所得纤维素纤维经水洗、脱硫、漂白、干燥后成为粘胶纤维。粘胶生产流程OCH2OHHOHHHOHHOHOHHOOOHHOHHOHHOHHCH2OHHOCH2HOHOHHHOHHOHOHHCH2OHHHOH(n-2)/2人造丝的性质与用途•优点：粘胶人造纤维是一种强度和耐磨性能为一般至良好的中重型纤维，具有亲水性能（回潮率为11%），此纤维可以干洗，在良好的照料情况下也可水洗，不会产生静电或起球现象，价格也不贵。•缺点：人造丝在湿态时会丧失30%～50%的强度，因此在洗涤时，需要小心，干燥后，强度即行恢复，人造丝的弹性和回弹性能较差，还会在洗涤后大幅收缩，也易霉蛀。•由于吸湿性好，穿着舒适，一般用于服装，医药品，卫生用品；高强力粘胶纤维（中国称富强纤维）用于轮胎帘子线，工业运输带等。•人造丝的分辨：人造丝光泽明亮，手感稍粗硬，且有湿冷的感觉，用手攥紧后放开，皱纹较多，拉平后仍有纹痕，抽出布丝用舌端湿揉之，人造丝伸直易拉断、破碎。干湿时的弹力不一样。真丝光泽柔和，手感柔软件、质地细腻，相互揉搓能发出特殊的音响，俗称“丝鸣”或“绢鸣”，用手攥紧后放开，皱纹少且不明显，真丝品的丝干湿弹力一致。涤沦丝反光性强、刚度较大、回弹迅速、挺括、抗皱性能好、结实有力、不易断。醋酸纤维（Acetatefiber）1.醋酸纤维又称醋酸纤维素，即纤维素醋酸酯。醋酸纤维素以醋酸和纤维素为原料经酯化反应制得的人造纤维。包括纤维素三醋酸酯（CTA）和纤维素二醋酸酯（CDA）。2.醋酸纤维是世界最早发现并得到广泛应用天然聚合物酯类产品。早在1869年就发现纤维素三醋酯。1901年成功地用纤维素进行乙酰化，制得纤维素三醋酯。瑞士人H.德雷富斯和C.德雷富斯兄弟将生产清漆用醋酸纤维素溶于丙酮后经喷丝头压出，在热空气流中溶剂挥发，细流形成纤维。1903年制得可溶于丙酮得纤维素二醋酯。1905年纤维素三醋酯可溶解在丙酮成为溶液，为生产醋酸酯纤维素纤维提供可放肆的原液，1908年美国MODAK公司成功由纤维素三醋酯制成不燃性的照相胶片，1914年纤维素三醋酯以三氯甲烷为溶剂首次制成纤维素三醋酯纤维，但直到1950年以后以二氯甲烷为溶剂后，才投入工业化生产。3.醋酸纤维不易着火，醋酸长丝在化学纤维中最酷似真丝，可以用于制造纺织品（光泽优雅、染色鲜艳、染色牢度强，手感柔软滑爽、质地轻，回潮率低、弹性好、不易起皱，具有良好的悬垂性、热塑性、尺寸稳定性，可用作衣服里子料，睡衣，内衣）、烟用滤嘴（弹性好、无毒、无味、热稳定性好、吸阻小、截滤效果显著、能选择性地吸附卷烟中的有害成分）、手术包扎布（与伤口不联接）、塑料制品等醋酸纤维的化学性能1、耐碱性弱碱性碱剂对醋酸纤维基本上未造成损伤,纤维失重率很小。遇到强碱后，尤其是二醋酸纤维，容易发生脱乙酰化，造成重量损失，强力和模量也随之下降。因此，处理醋酸纤维的溶液，其pH值不宜超过7.0。在标准洗涤条件下，具有很强的抗氯漂白性能，还可用四氯乙烯进行干洗。2、耐有机溶剂性能醋酸纤维在丙酮、DMF、冰醋酸中完全溶解,而在乙醇和四氯乙烯中则不溶解.根据这些特性,可以将丙酮作为醋酸纤维的纺丝溶剂,用四氯乙烯对醋纤织物进行干洗等。3、耐酸性醋酸纤维的耐酸稳定性较好，常见的硫酸、盐酸、硝酸在一定浓度的范围内对纤维的强力、光泽和伸长等都不会造成影响；但是可以溶解于浓硫酸、浓盐酸、浓硝酸转化过程O*OCH2OCOCH3H3COCOOCOCH3*nO*OHOH2CHOOH*n铜氨纤维（Cuprammoniumfiber）1.铜氨纤维是将棉短绒等天然纤维素原料溶解在氢氧化铜或碱性铜盐的浓氨溶液内，配成纺丝液，在凝固浴中铜氨纤维素分子化学物分解再生出纤维素，生成的水合纤维素经后加工即得到铜氨纤维。2.铜氨纤维由于纤维细软，光泽适宜，常用做高档丝织或针织物。其服用性能较优良，吸放湿性好，极具悬垂感，服用性能近似于丝绸，符合环保服饰潮流。具有会呼吸、清爽、抗静电、悬垂性佳四大功能。常用于针织内衣，女用袜子以及丝织缎绸女装衬衣、风衣等。聚酯纤维---涤纶（PETfiber）涤纶是以精对苯二甲酸（PTA）或对苯二甲酸二甲酯（DMT）和乙二醇（EG）为原料经酯化或酯交换和缩聚反应而制得的成纤高聚物—聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethyleneterephthalate,PET）纤维，俗称“的确良”，最早是在1941年由英国化学家试制成功的，但由于第二次世界大战等原因，直至1953年才建成第一个涤纶纤维厂。虽然涤纶纤维在合成纤维中是实现工业化较晚的产品，但由于涤纶纤维制成的纺织品坚牢、抗皱和保型性能特别好，做成的服装挺括不皱、外形美观、易洗快干，在工业上又有广泛用途，所以其发展非常迅速。1960年其世界产量已超过腈纶，1972年又超过了锦纶，跃居为合成纤维的第一大品种，直至目前世界上涤纶纤维产量仍稳居榜首。特点：强度高、耐冲击性好，耐热，耐腐，耐蛀，耐酸不耐碱，耐光性很好（仅次于腈纶），曝晒1000小时，强力保持60-70%，吸湿性很差，染色困难，织物易洗快干，保形性好。具有“洗可穿”